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无人机技术贴:指南针干扰的那些事儿

出处:大疆社区 作者RDteam89

指南针干扰之痛      

使用DJI飞机的模友都很害怕遇到“指南针干扰”这个“梦魇”, 每当APP上提示”指南针干扰“,心情都会立马变得很紧张,好像不可预测的危险即将出现。为了避免出现”指南针干扰“问题,模友们都习惯性地在飞行前校准指南针,但即使这样依旧会在空中出现这一提示,不免让人感到愤怒及疑惑。这里仅以个人拙见,毫无系统地对”指南针干扰“及其对无人机的飞行品质和安全造成影响的原因进行分析。


(1) 上层应用的核心

要说清楚指南针干扰的问题,我们还是应该先谈一谈GPS这个传感器。

GPS在我看来简直是现在各种APP及智能硬件的心脏。有了GPS就催生了一些列的基于位置信息的服务:百度地图使用GPS来定位及规划路线并推荐周围的各种娱乐等服务,微信/QQ通过位置信息推荐周围的朋友,Uber/滴滴通过位置信息推荐周围的司机和乘客,美团/糯米通过位置信息推荐周围的美食,携程/同程通过位置信息推荐周围的酒店及景点,各类运动APP及运动型的智能硬件通过GPS来计算运动的里程、速度以及消耗的卡路里,智能报警硬件也通过GPS来监控自行车或者小孩的丢失问题,等等。所以说,GPS催生了海量的服务,制造了无数的就业岗位,给我们的生活带来了不可思议的改变。

(1.1)基于GPS的无人机上层应用

言归正传,无人机可以说是APP和智能硬件的结合,自然也和GPS有莫大的关系。现在看看GPS都在上层应用中给无人机的使用者带来了哪些优质的服务:

①平稳的悬停。 飞过姿态模式的模友都知道,飞机在这种模式下会出现在水平面上漂移,每次拍照的时候,你将分心于控制飞机的飘动,而无法专注于镜头的美景。

②精准的返航。 没有GPS,模友将无法在飞机飞不见的时候,启动一键返航,使得飞机顺利地自动飞回来,也不能再出现低电压的时候自动飞回。

③低电量预警。 没有GPS,  飞机将不知道自己距离起飞点的距离,不能根据距离实时的计算当前剩余多少电量的时候就应该返航了。

④地面站服务。 没有GPS,  模友们将无法在地面站上指点飞行器的航点,不能让无人机自动完成走航点,热点环绕等功能。

⑤Follow Me 。  没有GPS,  基于GPS实现的Follow Me 功能也是无法实现。

⑥APP轨迹显示。没有GPS, 模友将不能再APP上看着轨迹对飞机实现超视距的飞行。

⑦各种行业应用。 没有GPS,基本上运输、监控、农业等各种行业应用也将无法进行。

所以说,没有GPS, 无人机将显得一点也不”智能“。

(1.2)基于GPS的导航系统

再来看看,GPS作为一个传感器对导航系统都带来了哪些信息。导航系统,可以简单地理解为是一个对各种传感器信息进行加工处理进而输出位置、速度、姿态及航向等信息的一个系统。现在无人机的导航系统,都是集成式的导航系统,集成的传感器包括:加速度、陀螺仪等重要的惯性测量单元(Innertial Measurement Unit, IMU),  指南针,GPS , 视觉传感器,雷达,超声波等等。多了GPS之后,导航系统将获得如下观测信息:(1)世界坐标系下的位置 和(2)世界坐标系下的速度。

有了GPS的位置和速度信息,理论上导航系统可以对这些粗略的信息进行加工,从而使得无人机知道自己在世界坐标系中的位置和速度。

但这一切都没有那么简单,请看下一小节《(2) 无人机没有方向感》。


(2) 无人机没有方向感

举个大家都很常见的问路场景:

Ctrl:  ' 请问万达广场怎么走?'

Navi: ' 向北走300m,然后向东走100m就到了。'

Ctrl:  ' 对不起,我没有方向感,不知道北在哪。'

Navi: ' 好吧,改种说法,你向前走300m,然后向右走100m就到了。'

Ctrl:  ' 明白了,谢谢。'

在这个场景中,Navi 按 东西南北的方式给 Ctrl 指路的时候,Ctrl因为没有方向感,所以不理解。但是当Navi 按前后左右的方式给 Ctrl 指路的时候,Ctrl就明白怎么走了。从这个对话中,我们可以在对应的找到无人机坐标系的概念。无人机的坐标系,一般都会有这样两个坐标系:“世界坐标系”和“本体坐标系”:

①“世界坐标系” 可以简单的理解为按照 东西南北 的方式定义的坐标系。

②“本体坐标系” 可以简单的理解为按照 前后左右 的方式定位的坐标系。

GPS就是在世界坐标系,告诉无人机在世界坐标系中的位置和速度。但很不幸的是,无人机也很没有方向感!

无人机最喜欢的运动方式是向左飞或者向右飞,而不是向东飞或者向北飞。于是,在飞控里,必须进行坐标转换,把”世界坐标系“转换到“本体坐标系”。

再回到问路这个场景,如果Ctrl的方向感很好,他可以立即搜索一下北向在哪里,然后根据Navi的第一句话,把Navi的北向转换成前向。无人机也是如此,需要找到自己的前方与北向的相对方位,才能够正在的理解”世界坐标系“里的位置和速度。而肩负这个责任的一个重要的传感器就是指南针,说道这里,貌似才进入了正题。

无人机的指南针貌似微不足道,其实作用很大,为了启用基于GPS的各项核心服务,无人机需要使用 指南针来 连接 ” 世界坐标“ 和”本体坐标“。


(3)连接两个世界的独木桥

航向是连接世界坐标系和本体坐标系的独木桥,走歪了方向,将坠落漩涡。

还是先来举个场景:

A 不小心在坠机在沙漠中,并得以存活,他决定背上食物,选择一个方向,不转弯地一直往前走,希望能够走出沙漠。然而,几天之后他发现了一架飞机的残骸 。他绝望地发现自己回到了出发的地方。

在这个场景中,A一直往前走,最后又绕回了原地,原因其实很简单。A虽然一直往前走,但是因为人在走路的时候,如果没有一个固定的参照物在前方纠正自己的步伐,就会因为两个腿的步长有细微的差别而缓慢偏离一开始设定的前方,最终走出一个弧线出来。闭着眼睛走过路的人也能够有类似的体会,走不到十步,方向其实就已经歪了。在沙漠中,因为没有一个固定的远方的参照物,A不幸地走着一个巨大的圈。他是一直往前走,只是他的前方一直在变化。

回到无人机,如果无人机认为的航向总是和真实的航向有一个较大的误差角,那将会发生什么呢。

它将在空中画圈,这就是”走歪了方向,将坠落漩涡”:

①如果是在悬停状态,航向误差小,速度本来比较小的情况,那就在空中画小圈,表现为悬停不稳。

②如果是在高速飞行,航向误差大的情况下,那将表现为一个较大的圈。

注:上诉推理的原因只是结果一种充分条件,而不是必要条件。


(4)发生过的不会忘却

摘要:指南针干扰量不是一个瞬态量,它具有历史属性,和以前的状态有关,因此不是在干净的地方就一定会有干净的地磁测量值。

引言:为什么无人机在很高的地方还是会出现指南针干扰,明明旷无一物,实在是令人费解?。这个小节,就来聊聊这些个令人费解的事儿。引用宫崎骏老爷子在《千与千寻》里表达的一个思想:”曾发生过的事请不可能忘记 ,只不过是你想不起罢了。" 尽可能简单地使大家明白这个道理,但还是要上一些晦涩的内容。

补充知识1:

指南针这个传感器能够测量周边的磁场矢量(就是既测磁场大小,又测磁场方向)。也就说,指南针严格意义上来说,应该叫做”指磁针“。现在需要对磁场、地磁以及北向这几个概念:

①磁场,某个地方一切磁场的叠加,这些磁场包括:地磁、周边大型的磁性物质产生的磁场如果钢筋混凝土等、周边电流产生的磁场。

②地磁,摸个地方由地球整体引起的磁场,在不同的地方地磁的方向和大小都不同。

③北向,北向可以简单地理解为沿着地面指向北极的方向吧。

再来讨论一下这几个概念之间的关系:

①磁场 不等于 地磁, 只是大部分时候,地磁占主要成分

②地磁的方向  不等于 北向,只是大部分时候,可以通过补差磁偏角(当地磁场方向和北向之间的差)而矫正到北向。

从公式的角度来看,我们可以表达为:1) 磁场 = 地磁 + 磁场干扰量(其他的磁场)(式2) 北向 = 磁场方向 - 磁场干扰量造成的磁场方向偏移 - 地磁本身的磁偏角。补充知识2:

现在的手机上都有指南针,而且它一般都有一个校准操作,用过的人可能会不叫熟悉。无人机也有一个指南针校准操作。那么这个手机和无人机上的指南针校准到底是在干什么呢?其实他们就是利用旋转手机把磁场干扰量计算出来。指南针的读数 ,减去 当地的磁场干扰量,就近似为地磁了,参考(式1)。地磁的磁偏角,在一个特定的位置都是可以查到的,这个也可以随后减去,这样一来指南针就可以通过(式2)获得相对来较为准确的北向估计了。


言归正传,高空的指南针干扰到底是怎么来的?

原因可能特别多,但是我们就来设想一下这么一个场景:

A 在甲地校准了指南针,获得了甲地的指南针干扰量的估计,并保存在飞机芯片里,然后A在乙地飞行,且乙的指南针干扰量和甲地的相差很多。但不幸的是,无人机总是会减去以前校准的那个在甲地估计出来的指南针干扰量, 于是我们就会发现,无人机因为减去了一个不对的指南针干扰量而使得其测量的方向不是北向了。

简而言之:

(1)在干净地方校准了,在有干扰的地方飞是有问题的。

(2)在不干净的地方校准了,在无干扰的地方飞也是有问题的。

校准时候指南针它受到的干扰,将一直作用于以后的飞行,即使在空旷的高空,也是得承受过去犯下的过错。”好吧。”模友会说,“那我只能每次飞行前都校准了,可为何它还是不尽如意?”  那就请等待下回:《(5)信息是碎的》


( 5 )   信息是碎的

摘要:航向信息的碎片散落在不同的传感器上,不仅仅是指南针,所以指南针无干扰,也不一定航向估计好。

引言:爱因斯坦说:“熵定律是科学定律之最”。“熵”这个概念乍一看比较抽象,这不要紧,我们总还是能够从非常通俗的角度对其获得形象的理解。高中物理在讲永动机的时候曾经介绍过熵增定律:“在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小。”也就是说,被爱因斯坦理解为科学定律之最的定律就表达了一个中心的思想:“上帝估计总喜欢把桌子搞乱,就像那些邋遢的工程师一样儿。”

熵一开始是用来描述热物理学的,后来被香农(信息论之父)搞来研究信息,于是就有了信息熵这样一个概念。插上一句,什么是信息?信息简单地说就是“比完全随机相比更确定一些的事情”:

①明天是星期五,这是信息;

②黄金价格最近一个月80%可能性会反弹,这是信息;

③无人机的航向是北偏东三十度,这是信息。

信息越是确定,其信息熵越小。然而上帝总是喜欢把完好的信息撕成碎片,让人们费劲脑筋去把它拼凑起来。

今天就来谈谈:“上帝都把无人机的航向信息撕成了什么样的碎片?”

指南针干扰问题的本质就是航向估计不准,当然能够感知航向的传感器不知是指南针,理论上讲只要一转头会随之发生改变的传感器,都带有航向信息的碎片。只需要顺着引言中的哲学道理去理解航向估计这个问题,模友们将可以跳出指南针干扰这个相对单一的理解,不仅仅是指南针干扰会使得航向估计不准。

真实的航向只有上帝知道,上帝把航向信息撕碎了揉皱了,丢落各处,这些碎片理论上可以被不同的传感器所收集:

指南针捡到了上帝加了磁场干扰,加了噪声,加了地磁偏角,加了传感器各种不对称性等之后的,被揉皱了的航向信息碎片。

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最新评论

引用 hmimi888 2015-8-15 17:20
不错,顶起
引用 老鬼 2015-8-16 04:42
专业!深入浅出!
引用 武杰杰 2015-8-16 06:54
罗盘被干扰,飞机就是瞎子
引用 5imx 2015-8-19 16:43
技术贴,21赞
引用 maithon 2015-8-19 21:15
这就看飞控的功力了,数据融合算法。
引用 寒江独钓92 2015-8-20 08:56
写得很不错,读着也不累,多谢普及。
引用 给我闪 2015-8-20 09:39
???????????
引用 给我闪 2015-8-20 10:02
这是??(JD)的枪手文?为现在越来越多的炸鸡准备的引用文章?
引用 飞不高的小小鸟 2015-8-20 10:04
学习。
引用 oakli 2015-8-20 10:54
受益了
引用 skierado 2015-8-20 18:58
反正一切炸機都是推給干擾
引用 hummersd 2015-8-21 21:29
学习了啊!!
引用 autobox 2015-8-21 22:17
嗯嗯,了解了。
引用 colt1981 2015-8-21 23:14
dji这种没有惯性导航的弱智飞控才会在磁向计或gps信号出问题的时候就瞬间算法崩溃炸鸡或失控飞丢,其他航模级飞控好歹还只是自动进入姿态模式,dji为了解决没有惯导的问题又加视觉又加超声波,单事实证明是没有卵用的。。。
引用 netbeetle 2015-8-24 11:43
本帖最后由 netbeetle 于 2015-8-24 11:45 编辑

LZ说了那么多,也没有说出什么道道来。实际上罗盘干扰是很多因素引起的。比如在飞行过程中遇到附近的高压电线,由于电流的作用,罗盘就会发生改变。还有就是遇到一个特别大的磁体,比如铁塔,还有很多现在高层建筑物内部结构是全钢结构,通过附近也会收到干扰。还有,罗盘干扰有时最大来自于多轴飞行器自身,电流本身就会产生磁场引起罗盘偏转,APM和PIX就带有这么一个电流罗盘校准。实际上,一个纯属的飞控,应该能过滤掉罗盘短暂的干扰,而不是罗盘一遇到干扰就失控。

引用 黑鸟 2015-8-26 21:59
给我闪 发表于 2015-8-20 10:02
这是??(JD)的枪手文?为现在越来越多的炸鸡准备的引用文章?

有可能,把多轴飞行器称为无人机的,就是脑残DJ
什么有飞控就是无人机,多轴没飞控能飞么?

引用 天国的肥猪 2015-8-29 14:19
说白了这些飞控还是停留在电子竞赛的水平 什么时候能简单地惯导了才算是能看了。。。。。
引用 公孙小宝 2015-8-30 00:01
太专业,有的还不懂,不过还是顶了
引用 蓝翔子 2015-8-30 09:07
专业

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